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電池供電產(chǎn)品的LED控制問題
摘要：白光LED具有使用簡單、成本低的特點，其用量在最近幾年呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢，在例攜式產(chǎn)品中被廣泛用作閃光燈、顯示器背光等。本文介紹幾種白光LED的驅(qū)動方案。關(guān)鍵詞：白光LED 便攜式產(chǎn)品 DC-DC轉(zhuǎn)換器
1 概述
LED為電流驅(qū)動器件，光輸出強(qiáng)度由流過二極管的電流決定。圖1是由電壓源和限流電阻構(gòu)成的一種簡單偏置電路，流過LED的電流由下式確定：IDIODE=(VCC-VF)/[RLIM+RDS(ON)]這種方式成本較低，但不同的二極管VF（正向電壓）的參數(shù)一致。圖2、圖3表示25℃時LED的正向電壓（典型值）與導(dǎo)通電流關(guān)系曲線。從電流指標(biāo)可以看出：對于GaAsP二極管，VF可以上升到2.7V（+40%）；對于InGaN二極管，VF可以上程式到4.2V（+20%）。如果系統(tǒng)中需要多個LED，如蜂窩電話背板顯示器采用8個LED，則按照圖1的設(shè)計方案將需要多個限流電阻，占用較大的線路板面積。
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如果將Vcc增大到VF的10倍以上可以減少VF變化的影響，但耗電較大，不符合電池供電產(chǎn)品的需求。對于采用單片Li+電池供電的系統(tǒng)，Li+電池電壓的變化范圍為4.2～3V。如果LED的偏置電路只是簡單的由Li+電池和限流電阻提供，輸出亮度將會產(chǎn)生明顯的變化。合理的方案應(yīng)該是采用電流偏置電路。
2 電流偏置電路
電流偏置電路實際上是用1個電流源為LED提供偏置。如果電流源具有足夠的動態(tài)范圍，這種偏置方式將不受VF變化的影響。圖4為電流偏置方案的原理框圖。該電路將圖1中的限流電阻用電流源替代。光輸出強(qiáng)度與電源和正向電壓無關(guān)，只要有足夠的電源電壓為電流源和LED提供偏置即可。圖4中Q1為使能控制開關(guān)。
MAX1916等專用LED驅(qū)動芯片提供了一種先進(jìn)的LED電流偏置電路。MAX1916在微型SOT23封裝內(nèi)集成了3組電流源，流過RSET的電流鏡像到3個輸出端，如圖5所示。電路中幾個相同的MOSFET具有相的柵-源電源，因此，它們的溝道電流相同，電流的大小由鏡電流ISET決定。MAX1916的電流最大失配度為±5%，“鏡像系數(shù)”為200A/A。也就是說，當(dāng)ISET為50μA時，每個輸出端的電流為10（1±0.05）mA（最大）。SET端由內(nèi)部偏置在1.25V。ISET由下式?jīng)Q定：
ISET=(Vcc-1.25V)/RSET
IOUT=200ISET，每路電流之間偏差為±5%。輸出端飽和電壓：
VOUT（SAT）=RD-S·IOUT
MAX1916的漏源電阻在整個溫度范圍內(nèi)保證不高于50Ω,一個工作電流為2mA的GaAsP二極管保證正常工作所需要的最低電壓是：VF+100mV，2.71V的輸入電壓能夠?qū)aAsP LED工作電壓保護(hù)到2.7V。為了獲得更低的壓差和更高的輸出電流，可以將MAX1916的三路輸出并聯(lián)構(gòu)成“鏡像系數(shù)”為600的電流源，如圖6所示，并聯(lián)后的漏源電阻為50/3=16.67Ω(最大值)。這種連接方式允許單個白光LED在3V供電時電流達(dá)到20mA以上，滿足目前便攜式蜂窩電話等產(chǎn)品的背光要求。用于設(shè)置端電流的電壓源可以由帶載能力較強(qiáng)的主電源單獨提供，例如，在蜂窩電話中，VSET可以由射頻（RF）電路的低噪聲+2.8V電源提供。如果直接由單節(jié)Li+電池供電，MAX1916適用于驅(qū)動正向電壓較低的GaAsP LED，而對于正向電壓較高的InGaN白光LED則需采用其它驅(qū)動方案。因為Li+電池供電時，隨著電池的放電，輸入電壓可能無法滿足LED所要求的偏置電壓。
3 電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動白光LED
對于正向電壓在3.5～4.2V（在20mA條件下）的白光LED通常需要升壓轉(zhuǎn)換器，可以用電荷泵（如MAX682～MAX684）與MAX1916共同構(gòu)成這種LED的驅(qū)動電路，如圖7所示。MAX682～MAX684能夠?qū)?.7V的輸入電壓
轉(zhuǎn)換為5.05V輸出，輸出電流能夠分別達(dá)到250mA、100mA、50mA。利用MAX684的關(guān)斷控制引腳或MAX1916的使能控制引腳可以關(guān)閉LED。圖7電路中，MAX684在關(guān)斷模式下，電源電流降至22μA；RSET=43kΩ時，LED電流為22mA；
圖8是利用電荷泵構(gòu)成LED電流控制電路，反饋調(diào)節(jié)電壓的典型值為1.235V，Ipk=1.235/R SENSE,選用24Ω的檢流電阻能夠為二極管提供50mA電流。電荷泵工作時，輸出電壓上升至LED的開啟電壓，LED開始導(dǎo)通。白光LED的典型正向電壓為3.5（1±0.1）V，加上反饋調(diào)節(jié)電壓，MAX1759輸出端提供的偏置電壓為4.735V。該電路輸出電壓的紋波在40mV以內(nèi)，不會導(dǎo)致LED輸出產(chǎn)生明顯變化，通常人眼覺察不到。另外，圖8電路在關(guān)斷狀態(tài)下輸入與輸出之間沒直流通路。
4 基于電感的白光LED控制器
MAX1848將升壓轉(zhuǎn)換器與電流控制電路集成在6引腳SOT23封裝內(nèi)，利用電流檢測驅(qū)動3組LED，每組LED包括3個串行連接的LED，如圖9所示。輸入電壓范圍為2.6～5.5V。MAX1848利用電壓反饋結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)流過LED的電流，較小的檢流電阻（5Ω）有利于節(jié)省功耗、保持較高的轉(zhuǎn)換效率。模擬控制器用于控制所有LED的亮度。典型應(yīng)用中：L1=33μH，CCOMP=150nF，COUT=1.0μF，RSENSE=5Ω。LED電流由控制電壓確定：IOUT=VCTRL/13.33RSENSE。
LED的亮度可以通過CTRL引腳的DAC調(diào)節(jié)或電位器分壓電路調(diào)節(jié)，電壓控制范圍為+250mV～+5.5V，將控制引腳接地可實現(xiàn)關(guān)斷。負(fù)載功率為800mW時電路轉(zhuǎn)換效率達(dá)88%。
5 結(jié)論
MAX1916內(nèi)部配置為3路可調(diào)電流源結(jié)構(gòu)，可控制多種LED；直接采用單節(jié)Li+電池供電可驅(qū)動紅光、綠光或黃光GaAsP LED；配合電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器，MAX1916還可用于驅(qū)動白光InGaN LED。對于有更高功率要求的應(yīng)用，需采用基于電感的MAX1848，外部只需要極少的元件，輸出功率為800mW時轉(zhuǎn)換效率達(dá)88%。
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